世界仍是模擬的

　　
    ADI公司的工程師們對(duì)放大器、轉(zhuǎn)換器和RF器件進(jìn)行著嚴(yán)格的測(cè)試，以使消費(fèi)電子和工業(yè)產(chǎn)品能夠正常工作。 

　　許多人都說(shuō)：“我們生活在一個(gè)數(shù)字化的世界”，但是你不能對(duì)美國(guó)模擬器件公司（Analog Devices Inc., 簡(jiǎn)稱ADI）的工程師說(shuō)這樣的話。在麻薩諸塞州威爾明頓的公司廠房里，工程師們對(duì)用于移動(dòng)電話、基站、音頻設(shè)備、儀器及其他許多“數(shù)字”產(chǎn)品的模擬信號(hào)處理的試生產(chǎn)集成電路進(jìn)行著測(cè)試。 

　　威爾明頓工廠包括一條生產(chǎn)工程設(shè)計(jì)原型和成品晶圓的完整的晶圓生產(chǎn)線。工程設(shè)計(jì)集成電路的組裝在威爾明頓工廠進(jìn)行，或者交給第三方承包商的工廠。成品晶圓是在全球各地的其他工廠進(jìn)行組裝的。 

　　在為生產(chǎn)運(yùn)算放大器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、音頻編碼器/解碼器（CODEC），或者RF集成電路作好準(zhǔn)備之前，必須等待產(chǎn)品工程師幾個(gè)星期的測(cè)試時(shí)間。這些工程師需要對(duì)列入數(shù)據(jù)資料的器件的所有規(guī)格進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)也需要進(jìn)行他們認(rèn)為必要的其他測(cè)試。測(cè)試結(jié)果經(jīng)常成為數(shù)據(jù)資料中公布的“典型”性能特征。在完成了一次評(píng)估后，產(chǎn)品工程師需要撰寫30至40頁(yè)的測(cè)試報(bào)告。 

　　每個(gè)試生產(chǎn)集成電路都需要一塊評(píng)估板，以便向工程師提供接入信號(hào)引腳和編程寄存器。這個(gè)評(píng)估板通常包括通信端口，例如與一臺(tái)個(gè)人電腦進(jìn)行通信的USB端口。產(chǎn)品工程師有責(zé)任開(kāi)發(fā)一個(gè)評(píng)估板。在我訪問(wèn)威爾明頓工廠期間，我聽(tīng)到了一句人們經(jīng)常掛在嘴邊的關(guān)于產(chǎn)品評(píng)估的話：“是評(píng)估板還是被測(cè)器件引起了這個(gè)問(wèn)題？”通常情況下，工程師必須經(jīng)過(guò)一個(gè)過(guò)程來(lái)確定問(wèn)題究竟出在哪里。 

　　在最初測(cè)試一個(gè)產(chǎn)品時(shí)，工程師需要利用人工控制的臺(tái)式儀器對(duì)被測(cè)器件（DUT）進(jìn)行測(cè)試。一旦他們確信元件功能正常，他們通常會(huì)在臺(tái)式儀器上運(yùn)行自主測(cè)試軟件進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試，或者是將評(píng)估板連接到自動(dòng)測(cè)試機(jī)柜上進(jìn)行測(cè)試。最后，他們還要使用生產(chǎn)自動(dòng)測(cè)試設(shè)備（ATE）對(duì)器件進(jìn)行一系列溫度和電源電壓方面的測(cè)試。這個(gè)ATE系統(tǒng)是由ADI公司以前的一個(gè)部門開(kāi)發(fā)的，而該公司現(xiàn)在完全致力于設(shè)計(jì)和生產(chǎn)集成電路。 








　　運(yùn)算放大器、分離器、濾波器應(yīng)有盡有 

　　Francisco Santos是高速放大器組的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工程設(shè)計(jì)經(jīng)理，他的工程小組負(fù)責(zé)高速的低失真放大器、視頻濾波器、有源RF分離器、電纜驅(qū)動(dòng)器、均衡器和ADSL線路驅(qū)動(dòng)器等產(chǎn)品的評(píng)估。 

　　Santos小組中的工程師對(duì)AD8099進(jìn)行了評(píng)估，這是一種低噪聲、低失真的高速運(yùn)算放大器，具有3.8GHz增益帶寬。由于ADI公司每年都要開(kāi)發(fā)數(shù)不勝數(shù)的放大器，工程師們?yōu)楣こ淘O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)了若干個(gè)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。其中的一個(gè)系統(tǒng)是對(duì)運(yùn)算放大器的一個(gè)重要規(guī)范——總諧波失真進(jìn)行測(cè)試?！拔覀兊牡褪д孢\(yùn)算放大器的失真范圍能夠達(dá)到測(cè)試信號(hào)基頻的140dB以下”，Santos表示，“所以我們的儀器的背景噪聲就顯得非常重要了。我們不需要對(duì)來(lái)自儀器的噪聲進(jìn)行測(cè)量。” 

　　在人工執(zhí)行測(cè)量時(shí)，諧波失真測(cè)量可能需要花幾個(gè)星期的時(shí)間，但是現(xiàn)在，像Greg DiSanto這樣的工程師可以利用實(shí)驗(yàn)室（圖1）的自動(dòng)測(cè)試臺(tái)在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)完成測(cè)試。DiSanto需要對(duì)THD與頻率、振幅、電源電壓和共模電壓等的關(guān)系進(jìn)行特征描述。這個(gè)測(cè)試臺(tái)采用了Stanford Research的信號(hào)源來(lái)產(chǎn)生高達(dá)200kHz的測(cè)試頻率，同時(shí)也采用了Rohde & Schwarz的一個(gè)高頻單元。在對(duì)視頻放大器進(jìn)行特征描述時(shí)，兩個(gè)信號(hào)源可在設(shè)置于3dB點(diǎn)的可選低通濾波器上產(chǎn)生2個(gè)Vp-p正弦波形。來(lái)自Allen Avionics的低通濾波器——通過(guò)18GHz RF開(kāi)關(guān)連接到Keithley的儀器上——在這些儀器連接到被測(cè)器件之前就消除了諧波。更多的RF開(kāi)關(guān)把被測(cè)器件的輸出端連接到濾波器上，該濾波器包括一臺(tái)Agilent Technologies的頻譜分析儀，有助于測(cè)量由二次和三次諧波引起的失真。 




　　工程師們也對(duì)輸入信號(hào)的直流偏壓進(jìn)行了調(diào)整，尋找引起失真的限幅點(diǎn)?！伴_(kāi)環(huán)增益損失引起了失真，”Santos說(shuō)，“我們需要調(diào)整輸入信號(hào)的偏壓，直到我們找到使運(yùn)算放大器的輸出級(jí)飽和的電壓為止。” 

　　Santos小組中的工程師們也對(duì)有源視頻分離器，如ADA4302-4 1∶4分離器進(jìn)行了評(píng)估。產(chǎn)品工程師Frank Ciarlone的自動(dòng)測(cè)試臺(tái)（圖2）對(duì)復(fù)合二次（CSO，composite second-order）失真、復(fù)合三次差拍（CTB，composite triple-beat）失真，以及交叉調(diào)制（XMOD，cross-modulation）失真進(jìn)行了測(cè)量。該信號(hào)發(fā)生器是由Matrix Test Equipment公司開(kāi)發(fā)的，它包括可以在55.25MHz至865.25MHz頻率條件下產(chǎn)生135個(gè)正弦波形的各種頻率源。工程師利用一個(gè)75歐的負(fù)載終止了一個(gè)輸出，并把其他輸出連接到一個(gè)可編程帶阻濾波器上。一個(gè)75歐至50歐寬頻帶的低插入損失變壓器用來(lái)與一臺(tái)Rohde & Schwarz的頻譜分析儀的輸入阻抗進(jìn)行匹配。 


　　他的FIFO板與被稱為L(zhǎng)abAlyzer的自主ADC測(cè)試軟件一起運(yùn)行，該軟件是利用LabView編寫的可執(zhí)行程序。利用LabAlyzer，Carney配置了一個(gè)ADC，它可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并執(zhí)行FFT來(lái)測(cè)量失真和積分非線性能力。他的任務(wù)之一是控制一個(gè)調(diào)節(jié)ADC輸入偏置電壓的寄存器。一旦他發(fā)現(xiàn)了最理想的偏置電壓，設(shè)計(jì)工程師就可以為待生產(chǎn)的器件芯片中的這個(gè)電壓進(jìn)行設(shè)置。 


　　音頻CODEC 

　　ADI公司也生產(chǎn)包括DAC、ADC、采樣率轉(zhuǎn)換器，以及運(yùn)行若干音頻算法的數(shù)字信號(hào)處理器等的一系列音頻集成電路。在數(shù)字音頻產(chǎn)品工程設(shè)計(jì)經(jīng)理Steven Roy的指導(dǎo)下，產(chǎn)品工程師Chirag Patel對(duì)音頻CODEC進(jìn)行了評(píng)估。他評(píng)估的是適用于汽車音響系統(tǒng)的最新的AD1938。它包括4個(gè)立體聲DAC和2個(gè)立體聲ADC。該器件是AD1836A的升級(jí)型號(hào)，后者有3個(gè)立體聲DAC和2個(gè)立體聲ADC。新型汽車具有有8個(gè)揚(yáng)聲器的音響系統(tǒng)，需要4個(gè)立體聲DAC。 

　　從評(píng)估板開(kāi)始，Patel為具體運(yùn)作模式配置了CODEC。他利用一個(gè)串行外設(shè)接口（SPI）端口將采樣率、串行數(shù)據(jù)格式和音量等寫入了寄存器。該器件包括18個(gè)用戶寄存器，以及若干僅用于內(nèi)部診斷的寄存器。該評(píng)估板通過(guò)一個(gè)USB端口與電腦進(jìn)行通信。 

　　在首次調(diào)試一個(gè)新的元件時(shí)，Patel遇到了一些與他的同事Munson和Colangelo同樣的問(wèn)題——辨別噪聲的來(lái)源?！斑@是一個(gè)克服困難的過(guò)程，”Patel表示，“如果我看見(jiàn)了電源線上的噪聲，我就會(huì)使用一個(gè)外置電源，而不使用評(píng)估板的電源。” 

　　Patel利用來(lái)自一臺(tái)音頻精度測(cè)試儀的單音和多音信號(hào)，對(duì)CODEC的IMD、THD＋噪聲、線性、信噪比（SNR）和串?dāng)_進(jìn)行了測(cè)量。在THD＋噪聲測(cè)試中，他通常使用在器件最大輸入電平之下的1dB振幅的1kHz正弦波形，而對(duì)二次和三次諧波的測(cè)量使用的是音頻測(cè)試儀。 

　　Patel最初進(jìn)行評(píng)估和調(diào)試的器件大約有50個(gè)。作為其臺(tái)式評(píng)估的一部分，Patel以盡可能多的運(yùn)行模式對(duì)器件的功能進(jìn)行檢查。在臺(tái)式測(cè)試之后，Patel使用ATE系統(tǒng)以進(jìn)一步描述器件的特征，以發(fā)現(xiàn)主要數(shù)字接口的時(shí)序限制。 

　　數(shù)字時(shí)序特征描述可以包括與彼此有關(guān)的相位差數(shù)字信號(hào)，這是Patel組織測(cè)量和把握時(shí)間的關(guān)鍵。他描述了給定溫度范圍、電源電壓和晶圓制造過(guò)程中的變化對(duì)CODEC特征的影響。如果元件滿足了規(guī)范要求，他就會(huì)在ATE系統(tǒng)上對(duì)大約500個(gè)元件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)評(píng)估。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，他可以為數(shù)據(jù)資料提供元件的典型值和保證值。這種統(tǒng)計(jì)學(xué)測(cè)量包括模擬特征的THD＋噪聲和SNR。 

　　“我們通常會(huì)在試生產(chǎn)運(yùn)行中保留大約50%的加工晶圓，以防我們需要做出臨時(shí)的改變，”Patel說(shuō)，“如果這種變化只是CODEC邏輯電路，那么，新的原型元件可以在大約3個(gè)星期內(nèi)準(zhǔn)備完畢。如果這種變化需要的是模擬電路器件，這個(gè)變化可能需要花12個(gè)星期?！?nbsp;


　　RF器件 

　　ADI公司還生產(chǎn)RF和光學(xué)元件，這些元件是由RF及無(wú)線（RFW）組的工程師進(jìn)行開(kāi)發(fā)和測(cè)試的。高級(jí)產(chǎn)品工程師Tom Kelly對(duì)RF產(chǎn)品，例如功率檢波器、放大器、乘法器和調(diào)制器，以及對(duì)數(shù)檢測(cè)器（log detector）等光學(xué)元件進(jìn)行評(píng)估。RFW組有若干自動(dòng)測(cè)試臺(tái)，Kelly使用其中之一測(cè)試AD8349，這是一種用于GSM和CDMA移動(dòng)電話的700MHz至2.7GHz的正交調(diào)制器。 

　　在對(duì)AD8349進(jìn)行評(píng)估期間，Kelly利用圖3所示的測(cè)試裝置測(cè)量了噪聲、相鄰頻道功率泄漏比（ACLR）和邊頻帶。Aeroflex信號(hào)發(fā)生器可產(chǎn)生I和Q調(diào)制信號(hào)。為了測(cè)量調(diào)制器的性能，Kelly用一臺(tái)Rohde & Schwarz頻譜分析儀對(duì)調(diào)制器的輸出頻譜進(jìn)行了測(cè)量。 




　　圖4顯示了對(duì)一個(gè)雙載波101 W-CDMA信號(hào)進(jìn)行的ACLR測(cè)量。為了進(jìn)行測(cè)量，Kelly調(diào)制了兩個(gè)以頻率隔開(kāi)的W-CDMA通道，以使一個(gè)通道將它們分開(kāi)。然后，他在未用通道中看到了信號(hào)泄漏，以及頻率上下的雙載波。在這種情況下，可以發(fā)現(xiàn)這個(gè)無(wú)線電連接調(diào)制器（AD_RLM）與AD8349之間相鄰頻道的差值約為4dB。圖5顯示了這一邊頻帶測(cè)量。 






　　校準(zhǔn)在測(cè)量邊頻帶抑制時(shí)至關(guān)重要。“傳統(tǒng)上，我們都是使用一只HP矢量電壓表進(jìn)行信號(hào)校準(zhǔn)，”Kelly解釋道，“自從這種設(shè)備不再生產(chǎn)以來(lái)，我們正在嘗試使用VNA或高速示波器?！?nbsp;

　　Kelly擔(dān)心如何校準(zhǔn)將會(huì)影響一個(gè)調(diào)制器I和Q基帶輸入信號(hào)。如果該信號(hào)的振幅和正交并不相等，Kelly將會(huì)看到一個(gè)不希望得到的邊頻帶。即使有完美的振幅匹配，正好為1U的相位誤差也會(huì)引起-40dBc的不希望得到的邊頻帶。1U相位和0.5dB的振幅誤差可產(chǎn)生-30dBc的不需要的邊頻帶。 

　　ADI公司的工程師要花幾個(gè)星期的時(shí)間利用臺(tái)式設(shè)備、實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)測(cè)試臺(tái)和生產(chǎn)ATE系統(tǒng)對(duì)新型集成電路設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)估。用于生產(chǎn)的一種產(chǎn)品必須得到一位產(chǎn)品工程師的批準(zhǔn)，產(chǎn)品工程師會(huì)向設(shè)計(jì)人員提供有價(jià)值的反饋。